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MEMS加速計校準提升工業(yè)應用中的精度
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時(shí)間：2013-11-07
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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如今，汽車(chē)安全系統推動(dòng)了MEMS慣性傳感器技術(shù)的發(fā)展，也大量應用于幾個(gè)大型領(lǐng)域。大批與汽車(chē)安全系統相關(guān)的應用促進(jìn)了對MEMS制造技術(shù)，封裝概念，質(zhì)量保證系統以及設計方案創(chuàng )新等方面的巨大投資。這些投資導致了成本效益更高和更可靠的解決方案，這些方案也在許多其他領(lǐng)域里獲取了利潤。包括游戲平臺(Wii Remote)以及許多移動(dòng)手持應用。此外，MEMS傳感器還發(fā)現了其他日益增多的工業(yè)應用，包括車(chē)間安全系統。其中設備位置傳感，碰撞檢測，防止吊車(chē)舉起時(shí)翻車(chē)等都是車(chē)間安全系統方面的應用實(shí)例，所有這些都得益于MEMS加速計。
車(chē)間安全系統的任務(wù)是檢測潛在的危險操作條件，但不能影響正常的操作。其中最為重要的就是用來(lái)檢測危險操作條件的傳感方案的精度。與其他絕大多數技術(shù)方案一樣，MEMS加速計也存在成本性能之間的折中。對于汽車(chē)和商用應用來(lái)說(shuō)，以最低成本來(lái)實(shí)現適度的性能即可。但對于一些工業(yè)應用，例如車(chē)間安全系統，則要求較高的精度。在這種應用中，可靠性，方便性以及方案的元器件成本都很重要。
隨著(zhù)高集成度和更精密的加速計產(chǎn)品的出現，系統設計師需要了解零件是如何校準的，因為這決定著(zhù)他們是購買(mǎi)這些校準方案還是開(kāi)發(fā)自己的校準程序。本文將討論雙軸加速計的校準工藝，并著(zhù)重討論最常見(jiàn)的誤差源。
校準的目的和必要性
對于許多MEMS慣性傳感器用戶(hù)來(lái)說(shuō)，校準為他們的傳感方案提供了改進(jìn)性能和折中系統成本的機會(huì )，如圖1所示。圖中所示的僅僅是一般的關(guān)系，而性能目標則由能夠為用戶(hù)增值的終端系統性能需求所驅動(dòng)。
例如，高精度意味著(zhù)防翻轉系統在確定吊車(chē)的極限時(shí)無(wú)需過(guò)補償。精度水平的最佳優(yōu)化能夠擴大吊車(chē)的服務(wù)范圍，或起吊更重的載荷，且沒(méi)有翻車(chē)的危險。所以，在安全傳感系統中優(yōu)化性能的底線(xiàn)就是能夠為總系統增值。
與校準相關(guān)的成本增加包括直接的材料成本(如ADC，微機，PCB復雜度的增加，以及勞動(dòng)力成本)和投資成本(校準設備夾具和工程開(kāi)發(fā)成本)，不過(guò)這些成本將被可預期的系統產(chǎn)品的批量所攤薄。任何校準過(guò)程的顯要目標都是實(shí)現價(jià)值更高的性能，同時(shí)控制相關(guān)的成本。
一個(gè)MEMS校準方案的開(kāi)發(fā)可以分為四個(gè)簡(jiǎn)單階段：
1.確立性能目標
2.確定校準需求
3.設計校準工藝
4.實(shí)現校準規則
為加速計校準確立有價(jià)值的性能目標將為整個(gè)研發(fā)過(guò)程定調。首先，這些目標將指導傳感器的選擇，其次，將為分析過(guò)程提供指導，而這些分析過(guò)程將確定需要校準的行為，最終將決定校準過(guò)程的復雜度。這是很關(guān)鍵的，因為過(guò)度追求高于所需將導致過(guò)高的成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間。
于是很明顯，這要求開(kāi)發(fā)商及早了解加速計傳感系統對最終系統性能目標的影響。盡管這種早期投資看起來(lái)是不方便的，但它卻會(huì )導致更好的性能并創(chuàng )造更多的創(chuàng )新機會(huì )。本討論將著(zhù)重于當校準綜合誤差小于1%時(shí)需要考慮的領(lǐng)域。 
圖2：典型的加速計校準電路
誤差敏度分析：一個(gè)用來(lái)提供校準的加速計性能的典型電路如圖所示。該誤差分析確定了每個(gè)器件對整個(gè)系統精度目標所產(chǎn)生的影響。每個(gè)器件都有需要考慮的行為因素。除了MEMS加速計之外，放大器、A/D、復用器和無(wú)源元件都將呈現一定的偏差，增益、線(xiàn)形度、噪聲、電源以及溫度都將呈現獨立的行為特征，對于傳感器性能來(lái)說(shuō)，這些都需要仔細地考慮在內。
本節將列舉對上述性能目標的常見(jiàn)威脅，并在避免具體的電路分析的同時(shí)，給出如何快速確定其影響的方法。為了簡(jiǎn)單，在討論中將敏度分析集中在傳感器性能上。假定其余電路元件的貢獻較小。包括一個(gè)MEMS傳感器的任何線(xiàn)性傳感器的理想方程為： 
在IEEE-STD-1293-1998中，給出了一個(gè)描述典型MEMS加速計誤差行為的廣泛建模方案。而如下的方程則給出了描述許多常見(jiàn)誤差的簡(jiǎn)單關(guān)系： 
傳感器信號調節電路將包括幾個(gè)影響該方程的幾個(gè)元器件。下面列出了這些器件的部分常見(jiàn)誤差源：
1. NENS加速計
2. 放大器
3. 無(wú)源元件
4. A/D
每個(gè)器件都將對靈敏度(增益)，偏置(偏差)，線(xiàn)性度，噪聲，依賴(lài)于電源的行為特性以及依賴(lài)于溫度的特性有所貢獻。這里所討論的校準將集中在傳感器上。不過(guò)圖示準則也適用于其他電路。
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